卫星通信系统与技术创新

　　续表卫星通信系统与技术创新 第1章概述第1章概述卫星服务广泛应用于商业、军事以及对地观测（包括气象预报）领域，可提供全球连接和观测能力，是现代社会生活中不可或缺的。无论是通过互联网连接和实时遥测为飞行航班和越洋轮船提供移动通信支持，还是为基础设施匮乏且地理位置分散的新兴市场提供高质量娱乐视频传输，无论是为偏远区域提供应急通信，还是进行地球测绘或利用无人机开展战场军事应用，卫星填补了其他包括光纤在内的通信形式无法满足的空白。截至本书出版时，全球共有900多颗卫星以各自轨道绕地球飞行。北美、欧洲、亚洲、南美甚至非洲都有许多大城市聚集了大量的付费用户，这些用户也成为运营商的主要收入来源。而光纤网络和IP服务在全球主要城市持续快速部署的局面，迫使卫星运营商寻找能够将IP融入他们所提供的端到端解决方案中的技术和营销手段，以保持其业务增长。毫无疑问，本书中提到的一些概念将得到那些渴望进步的运营商的青睐，并推动其在实践中开展不同程度的应用。但是坦白地讲，这些概念本质上并不是出奇的新思路或深奥理论，因为早在20世纪70年代末产业观察者［MIN197901］和产业专家［ROS198201］，［ROS198402］就已经提出，不能仅把卫星当作微波中继器或能达到20世纪50年代贝尔系统公司在美国部署的中继器的水平就行，而应当更多地实现用户所需的纵向集成式的应用功能，以维持市场的增长。11背景卫星通信系统是视距（Line of Sight，LOS）条件下的单向或双向射频传输系统，包括上行信道的发射站，作为信号再生节点的天基卫星系统以及监测下行信道接收信息的一个或多个接收站。在双向通信的情况下，上述两种终端站兼具发射和接收功能（如图11所示）。 图11典型的卫星通信链路卫星可运行于多种轨道。地球静止轨道国内一般用GEO指代地球静止轨道，用GSO指代地球同步轨道。（Geostationary Orbit，GSO）是地球赤道面内的同心圆轨道，与地表相距35 786 km，与地心相距42 164 km（地球半径为6 378 km）。地球同步轨道（Geosynchronous Orbit，GEO）卫星如无特殊说明，本书中的卫星均是指地球静止轨道卫星。，保持与地球相同的转动角速度和转动方向。当卫星处于赤道面内时，从地面可以观察到，卫星一直保持静止，所以指向卫星的天线不需要每隔固定周期就进行跟踪或（大部分情况下）方向调节在实际应用中，GEO和GSO通常混合使用。，GSO是在赤道面内与地球自转同向的圆轨道，轨道周期等于地球自转周期。。卫星也可以运行于其他轨道，如中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）和低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）。传统意义上的卫星通信服务包括以下几个类别。1）卫星固定业务（Fixed Satellite Service，FSS）：利用一颗或多颗卫星在固定位置的终端实现通信的一种服务。FSS主要用于长距离固定站点之间的视频、语音以及IP数据传输。通过FSS，信号可从地球上的一点发射至另一固定点（即点到点通信），或者从一台发射机发送至多部接收机（点到多点）。FSS还可采用星间链路（非商业通用）或馈电链路等提供其他类型业务，如卫星移动业务或卫星广播业务。2）卫星广播业务（Broadcast Satellite Service，BSS）：通过卫星传输，公众可直接接收信号的一种卫星服务。具代表性的就是卫星直播业务（DBS），它可在预定频段下通过卫星直接为家庭或企业提供电视与视频直播服务。BSS或DBS都利用GEO卫星。此外，与FSS拥有点到多点和点到点等多样化服务模式不同，BSS只工作在点到多点的模式下。因此，面向特定的市场，所需的卫星数量更少。3）卫星移动业务（Mobile Satellite Service，MSS）：旨在为地球上任意一点提供无线通信的卫星服务。随着蜂窝网移动电话的广泛普及，用户已经习惯在世界上任意地区使用手机，包括发展中国家的农村地区。通过卫星实现的语音通信，需要使用专用的手持设备。MSS通常采用MEO和LEO卫星系统提供服务。4）卫星水上移动业务（Maritime Mobile Satellite Service，MMSS）：在移动卫星地面站和一颗或多颗卫星之间进行通信的卫星服务。5）另外，虽然在常规的认知中GPS不是一种正式的通信服务，我们也可以将其加入这个列表中，这项服务采用一组卫星来为专业终端提供全球定位信息。过去几年间，技术和服务领域的多项进展都在影响商业卫星通信的发展，而这些进展正是本书关注的重点。随着内容分发、VoIP以及互联网业务等商业应用的日益频繁，频谱利用率的概念越来越被终端用户所追捧。与此同时，为了维持销售额增长，运营商们需要聚焦于提供IP服务（企业和互联网接入）、下一代视频（混合分发、缓存、非线性/时移、高分辨率）和移动性。近期技术与服务方面的一些进展包括：1）本书出版时，更高卫星信道与系统吞吐量是影响整个卫星通信产业的主要的商业因素。改进调制方案，可增加用户信道的吞吐量；在下一代调制解调器中引入先进调制和编码技术作为标准方案，可使单位频谱实现的比特速率更高，对易受雨衰影响的高频段使用自适应编码则可保证频谱的有效利用；DVBS2基线标准目前已非常成熟，其扩展标准如今也开始在卫星通信行业内推广。2）高吞吐量卫星（Hight Throughput Satellite，HTS）一般工作在Ka频段（下行183～202 GHz，上行281～30 GHz），采用点波束技术可以实现较高的数据传输速率，也可以运行在MEO以降低传输时延。总的来说，通过采用覆盖范围更小、功率更强的点波束，HTS可以达到100 Gbit/s的吞吐量，从而大幅削减单位带宽的成本。所以，服务提供商开始接受并采用HTS来拓展其所提供的通信业务。从技术角度来看，HTS与传统卫星系统有诸多不同，具体包括：使用带宽更大的波束/转发器（一般大于100 MHz）；使用地面网关站来支持十余个或二十余个波束（通常要达到5 Gbit/s的吞吐量水平）；所有远程接收站都可以实现较高的数据速率；采用先进的抗雨衰技术，Ka频段系统尤为明显。3）对选择乘船或飞机出行的人们来说，因缺乏地面网络支持而需要卫星为其提供移动通信服务，这在技术上和经济可行性上都已得到验证，并成为服务提供商。需要说明的是，在飞机上部署卫星通信系统，必须对天线进行特殊设计，例如考虑天线的跟踪性能等。4）用卫星的M2M（机器对机器）连接，无论是用于洲际运输卡车通信，还是飞机实时遥测数据的整合传输，或者商业货船的数据跟踪，都为地理位置分散的实体之间拓展物联网（IoT）应用开辟了新的机遇，对于广袤的海域则尤其明显。随着全球商业贸易增长，人们已经看到卫星通信在推动海事通信服务需求增长方面的机遇，而海事通信需求根据船舶类型、运营商、数据传输量以及船员和乘客需求及应用［例如全球海上遇险与安全系统（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）］的不同出现很大的差别，这在客观上产生了多样化解决方案与应用的需求。5）近年出现的超高清电视（UHDTV）（又称Ultra HD或者UHD）可以提供8～16倍HDTV才能达到的视频清晰度；很显然，这类视频每个传输信道都要求具备更大的带宽。根据视频的垂直分辨率不同，目前已经出现了所谓的4K和8K版本。卫星运营商们正在积极参与到这一市场细分中，预计在2020年左右，UHDTV广播服务可实现大规模应用，而在本书出版时，已经有一些小范围、定向的应用开始服务。UHDTV对于视频分发服务的带宽需求约为60 Mbit/s，而视频采集服务则需要100 Mbit/s左右。这种情况下，采用DVBS2扩展技术以及更大带宽转发器（如72 MHz）将逐渐成为市场上的标准配置需求。而出现的H265/HEVC（高效视频编码）视频压缩标准算法与此前广泛采用的H264/AVC（高级视频编码）算法相比，在压缩率性能方面提升两倍多；然而，这也增加了计算处理的复杂性，反过来需要更先进的芯片支持。近几年，特别是2013年，业内开展了很多技术验证与仿真，真正投入市场应用的商业级产品计划在2014—2015年出现，那时刚好可以提供UHD应用服务（不管是地面的还是天基的）。甚至在标清（SD）/高清（HD）视频领域，通过将地面编码设备升级到H264 HEVC，也可削减近50%的带宽需求。而从标准DVBS2升级到DVBS2扩展版本则可额外降低10%～60%带宽需求。6）由卫星和地面网络组成的混合式网络，也将在近期发挥重要作用。通过大量引入IP服务，包括受到地面光纤网络部署驱动得以快速发展的IPTV和OTT视频等，将在极大程度上重塑整个行业。这里不得不提到IPv6，这是一项被世界各地所广泛采用的技术，可以支持真正的端到端设备通信能力。卫星通信与IPv6能力的融合将造就混合式网络架构，从而满足不断增长的政府、军队、IPTV以及移动视频服务领域等需求。7）在核心技术层面，电推进（替代化学推进）是一项正在研究且事实上已经部署应用的技术；这种推进方式可以有效减小航天器的质量（从而降低发射成本），并很有可能延长航天器的寿命。根据该技术的拥护者所述，使用电推进进行卫星在轨姿态保持改变了全球的卫星产业。如今，随着电推进技术应用于轨道转移和提升，它极有可能改变通信卫星的入轨方式。8）此外，新的发射平台也在引入通信卫星市场，随着竞争的日益激烈，发射成本会进一步降低。很显然，卫星通信具备多播、广播、全球覆盖、高可靠性以及快速支持开阔区域和敌对环境通信的能力，因而将继续在商业、电视传媒、政府以及军事通信领域发挥重要的作用。为确保本书的独立完整性，在本章将介绍一些与卫星通信相关的技术背景。12产业问题与机遇：发展趋势121重大问题与机遇基于前文所述的背景情况，有必要对2010—2020年中期的整个产业趋势进行评判。下面列举的一些观察结论，为我们描绘了整体的环境和趋势。“……产业经济结构的变化是卫星领域获得长期发展的关键。我们必须提升参与度，变得更加高效，我们必须不断地开疆拓土。产业界一方面需要降低成本，另一方面需要通过创新来拓展市场……。”［WAI201401］“……卫星市场正在经历一场历史巨变，无论是发射新型高吞吐量卫星，还是通过引入新发射服务商大幅降低发射成本，越来越多廉价且可靠的发射方案（不断地涌现出来）……。”［WAI201401］“……谁将在未来实现快的增长？这是一个开放性问题。依旧是四大运营商继续获得大额订单并推动市场的进一步兼并整合，抑或三十年河东、三十年河西，轮到那些拥有国内卫星并与国内用户联系紧密的区域运营商们……？”［GLO301301］“……随着竞争日益激烈，（运营商们）必须将无线、手机以及高速宽带互联网服务等进行有机整合；当前，由于用户越来越倾向于在线观看视频，美国和欧洲的付费电视用户容量已趋于饱和……。”［SHE201401］“……电视和视频市场方面，内容的接入和消费方式正在经历一场变革，而且目前看来是没有回头路的。创新技术和新服务的融合不断提升电视/视频内容和观看者之间的互动水平。内容从产生、分发到实现货币化收入，其当下的管理方式主要受到4个方面的影响：1）内容消费的去线性化特征，以及用户接入设备和接入网络的成倍增长；2）竞争激烈程度的增长比整体收入更加迅猛；新的内容源、传输媒介和分发渠道的不断涌现正在挑战传统价值链；3）为达到用户的预期，技术创新和投资的周期变得更短；4）新兴区域市场的快速增长提供了新的增长机遇，但其代价是面向本地用户需求的定制化……。”［BUC201401］“……如果希望保持对地面通信技术的竞争力，卫星产业必须不断追求新型卫星和运载火箭的组合；按卫星和火箭的总成本算下来，一个36 MHz的等效转发器的入轨成本将达到175万美元……。”［SEL201402］“……许多因素都可以颠覆市场，并对竞争、需求以及定价规则等产生重大影响……FSS对MSS市场的吞并、对地观测领域出现的新竞争者、美国政府的角色转变为用户、新兴市场竞争的日益增强、全球政府性卫星投资额的增长以及采用4K作为DBS的标准等……”［SAT201402］“创新一般不会和卫星制造技术一起谈及。由于成本过于昂贵、对风险的极力规避、以及技术的复杂性，创新在卫星通信产业总是显得相对缓慢……。”［PAT201301］“……在立竿见影的高回报投资浪潮过去之后，新的风口就变得风险更大或回报更低。是否产业的成熟本身也是一种颠覆因素，会倒逼市场不断地开展高风险度的技术试验……？”［SAT201401］“为了支持卫星数据、语音以及视频业务的大规模快速增长，整个行业都需要更快的数传速率、更高效的通信技术和更大的传输带宽。此外，终端用户的习惯也发生了转变，他们希望在旅行、生活或者工作的任何时间、任何地点都能够连接通信服务。由于受数据传输速率增长的影响大，视频采集及高速IP业务领域成为对DVBS2扩展标准需求大的应用方向……。”［WIL201401］“新的市场数据显示，宽带卫星或所谓的HTS系统正呈现增长态势。随着高吞吐量卫星总的累积资本支出攀升至120亿美元，我们必须思考一个重要的问题：这些系统将如何影响我们产业的思维模式？这种大型的流量入口在拉美、中东以及非洲和亚太区域已经引发了对容量供应过度的风险的担忧……。”［DER201301］“……高吞吐量卫星将改变卫星宽带领域的经营模式和服务质量……这类卫星可以服务于未来十年内不断加速的多媒体互联网接入带宽需求……现有的传统卫星系统并非针对人们所需要的高带宽、高容量应用而研制的，这些应用包括视频、图片分享、VoIP和对等网络组网等。解决这个矛盾的方案就是增加容量和卫星的速率。改善卫星服务不仅仅是实现更快的速率，同时也需要给用户提供更大的带宽容量，从而缓解网络拥堵……。”［VIA201401］“未来十年内GEO商业通信卫星的采购量将保持稳定。卫星通信产业将经历自2013年以来短期的下滑……产业未来要实现增长的主要驱动因素仍包括卫星更替以及市场向Ku频段和HTS拓展等。然而，许多趋势将会影响这条增长曲线，并极大程度上改变卫星制造的贸易环境：1）新推进形式的应用日益广泛；2）越来越多供应商推出更多的平台；3）多波束体系变得更加通用；4）发射服务能力向更大的承载能力方向发展。整个产业正在重塑；卫星制造商和发射服务商都参与其中……市场份额近几年发生了剧烈变化，一些公司在顺利发展数年之后，正逐渐从这个重要的市场消失……。”［EDI201401］“……我们生活在一个智能、互联的世界。接入互联网的物体如今已经超过了地球上人类的总数。这种新型的物联网（IoT）的影响巨大。根据麦肯锡全球研究院近的一项报告，2025年以前，预计IoT有每年释放62万亿美元全球新经济价值的潜力。该公司还预计，未来80%～100%的制造商都会使用IoT解决方案，仅对全球制造业造成的潜在经济影响就达23万亿美元……。”［HEP201401］“……本报告有以下重要发现：1）无线M2M市场的年均收入将会在2020年底之前达到1 960亿美元，这意味着从2014年到2020年的6年年均复合增长率将达到21%；2）M2M连接设备的安装数量将在2014年到2020年之间达到25%的年均复合增长率，终达到接近90亿台全球接入设备；3）M2M无线解决方案在敏感的核心基础设施行业领域的应用日益广泛，推动了M2M网络安全解决方案的需求增长，这个市场预计将在2020年年底前接近15亿美元的支出额；4）设备管理需求的不断增长，将推动包括基于云的数据分析和诊断工具、M2M/IoT平台（包括连接设备平台CDP，应用支撑平台AEP和应用开发平台ADP）等在内的费用支出在2020年年底之前达到年均110亿美元的水平……。”［SST201401］凯文·阿仕顿（Kevin Ashton）因提出物联网概念，来描述通过泛在传感器实现物理世界与互联网连接的系统［MIN201301］，而受到世人关注。近年来他又提出了一些非常有说服力的观点，下述的引用可充分体现其思考深度［ASH201401］。“昨天（2014年4月27日），马航MH370航班的漂浮碎片搜寻工作结束了，而利用黑匣子信号的水下搜寻工作也毫无进展。澳大利亚总理托尼·阿博特（Tony Abbott）称，‘这场超过50天的行动极有可能是人类历史上困难的一次搜救行动’，从侧面点明了行动中所暴露出的巨大技术缺陷。我们生活在一个我曾称作物联网的时代，一个从汽车到浴室再到怪物玩具车都连接到互联网的时代。但不知为何，飞机数据系统却极少与任何事物连接。飞机上的飞行通信寻址与报告系统（Aircraft Communications Addressing and Reporting System，ACARS）在20世纪70年代就已发明，却是基于一项使用了近1个世纪的传真电报技术。当如此多的物体都已接入互联网，为何航空业还要使用传真机发明之前的技术来寻找茫茫大海中的闪存设备？这是因为，虽然地面通信技术在过去的40年间发展迅速，但空基通信技术却停留在20世纪70年代。这个问题与飞机的关系不大，主要与能够跟踪飞机的卫星有关。例如，质量达到25 t、成本约为4亿美元的哨兵1A（Sentinel1A）卫星，是由苏联20世纪60年代研制的火箭发射的，其系统仅仅可以存储与7个iPhone手机容量相当的数据。那么，这个看起来像老古董的东西是什么时候发射入轨的呢？答案是2014年4月3日。体积巨大、造价昂贵、采用火箭发射的卫星却只有极低的运算能力！这可能在一定程度上解释广播卫星为何无法有效融入互联网，一方面价格太贵而且不够智能，另一方面，实现互联则意味着大量的设备（如飞机等）将发送海量数据至同一颗卫星，这显然也不够现实。因此，大多数的卫星只执行如播发电视信号、对地成像或者发送GPS信号。这也就解释了飞机为什么不能实现航班和位置数据的有效传输：由于手机和WIFI信号不能从地面传播到万米高空，所以必须发送信息至卫星，但卫星处理网络数据的成本过高，而且必须与可移动调节的碟形天线实现通信，这就要求对飞机进行改造，一般来说是不可能的。这些问题的解决方案很简单：我们需要新的卫星技术，而它即将来临。那些富有的私人投资者和年轻聪明的工程师们正通过技术创新将卫星带入21世纪，这些创新包括：质量只有2～3磅的小卫星；采用“超材料”研制的薄的平板天线；可实现软件调节射频信号的波束赋形技术。2014年1月9日，美国旧金山的一家初创企业Planet Labs发射了28颗卫星。这类小卫星的首要应用就是对地成像，但是也可以用于接收飞机传送的数据流，而其采用的正是这种新型的超材料平板天线。另外，许多其他类型的应用系统也充满潜力。总而言之，无数的新型卫星技术正在涌现，也有无数的方法将之加以组合应用。飞机上传送的数据流正在变得更加便宜和简单。”

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